JP4311724B2 - Ultrasonic transducer array and ultrasonic transmitter / receiver - Google Patents
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Description
本発明は、医療用や構造物探傷用の超音波撮像装置において超音波を送信及び受信する超音波送受信装置、及び、それに用いられる超音波トランスデューサアレイに関する。 The present invention relates to an ultrasonic transmission / reception apparatus that transmits and receives ultrasonic waves in an ultrasonic imaging apparatus for medical use or structure flaw detection, and an ultrasonic transducer array used therefor.
従来より、超音波の送信や受信に用いられる超音波トランスデューサとして、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛:Pb(lead) zirconate titanate)に代表される圧電セラミックや、PVDF(ポリフッ化ビニリデン:polyvinyliden difluoride)に代表される高分子圧電材料を含む圧電素子が一般的に用いられてきた。このような圧電素子に、電極を介して電圧を印加すると、圧電効果により圧電素子が伸縮して超音波が発生する。そこで、このような複数の圧電素子を1次元又は2次元に配列し、所定の遅延を与えてそれぞれの圧電素子を駆動することにより、所望の方向に送信される超音波ビームを形成することができる。 Conventionally, as ultrasonic transducers used for transmitting and receiving ultrasonic waves, piezoelectric ceramics such as PZT (lead zirconate titanate) and PVDF (polyvinyliden difluoride) are used. Piezoelectric elements including representative polymeric piezoelectric materials have been commonly used. When a voltage is applied to such a piezoelectric element via an electrode, the piezoelectric element expands and contracts due to the piezoelectric effect, and ultrasonic waves are generated. Therefore, an ultrasonic beam transmitted in a desired direction can be formed by arranging such a plurality of piezoelectric elements in one or two dimensions and driving each piezoelectric element with a predetermined delay. it can.
図6は、一般的な超音波用探触子において用いられている超音波トランスデューサアレイを示している。図6に示すように、複数の超音波トランスデューサ(素子)101の間には、それらを保持する充填材102が配置されている。このような超音波トランスデューサアレイにおいては、超音波を送信又は受信する際に、隣接する複数の素子が音響的に干渉し、クロストークが発生して、検出信号のSN比が低下するという問題が生じている。超音波を送信又は受信する際に、素子101を伸縮させると、超音波を発生するための振動だけでなく、ポアッソン比に伴う横伸縮や素子自体のうねりやぶれ等によって横振動も発生し、その振動が充填材102を介して隣接する素子に伝播してしまうからである。
FIG. 6 shows an ultrasonic transducer array used in a general ultrasonic probe. As shown in FIG. 6, a
このような問題を解決するために、例えば、素子の形状や配置を変更するという方法が考えられる。しかしながら、素子の微細化及び高集積化に伴い、任意の形状を有する素子を作製したり、そのような素子を任意に配置することは困難である。
或いは、複数の振動子の間に配置される充填材の材料を最適化するという方法も考えられる。非特許文献1には、1−3コンポジット(1−3型複合圧電材料)における素子間充填材料について記載されている。例えば、ポリウレタン系の樹脂は軟らかいので、機械的にフレキシブルであると共に、機械的アイソレーションが良いと述べられている。一方、ポリウレタン系の樹脂を用いる場合には、複合材料が圧電振動体としてホモジニアスとみなせる条件を満たすためには、問題点が残されているとも述べられている。このように、十分な振幅を有する超音波を発信させるために素子を振動し易くする材料と、クロストークを低減させるための材料とでは、材料の特性が背反するので、最適な材料の選定が困難である。
In order to solve such a problem, for example, a method of changing the shape and arrangement of the element can be considered. However, with the miniaturization and high integration of elements, it is difficult to manufacture elements having arbitrary shapes and to arbitrarily arrange such elements.
Or the method of optimizing the material of the filler arrange | positioned between several vibrator | oscillators is also considered. Non-Patent Document 1 describes an inter-element filling material in 1-3 composite (1-3 type composite piezoelectric material). For example, it is stated that polyurethane-based resins are soft and mechanically flexible and have good mechanical isolation. On the other hand, in the case of using a polyurethane-based resin, it is also stated that a problem remains to satisfy the condition that the composite material can be regarded as homogeneous as a piezoelectric vibrator. As described above, the material characteristics of the material that makes the element easy to vibrate in order to transmit ultrasonic waves having sufficient amplitude and the material that reduces crosstalk are contradictory to each other. Have difficulty.
また、特許文献1には、同一平面上に等間隔で配列された細幅矩形状の振動子素子部の各振動子素子の面上に、音響インピーダンスが該振動子と生体の音響インピーダンス間の値である硬質材料から成る単層又は複数層の中間層片を固着すると共に、上記各振動子及び中間層片の隣接間の溝及び中間層表面全体を軟質樹脂で被覆充填したことを特徴とするアレー型超音波探触子が開示されている。しかしながら、このように軟質樹脂の材料を既定することにより、そこを伝播する振動の収束を早くすることはできるが、積極的に振動を排除することはできないので、複数の素子間におけるクロストークを大きく減らすことはできない。
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、複数の素子が配置された超音波トランスデューサアレイにおいて、複数の素子間におけるクロストークを低減することを目的とする。 Therefore, in view of the above points, an object of the present invention is to reduce crosstalk between a plurality of elements in an ultrasonic transducer array in which a plurality of elements are arranged.
上記課題を解決するため、本発明に係る超音波トランスデューサアレイは、印加される電圧に基づいて伸縮することにより超音波を発生する複数の超音波トランスデューサと、上記複数の超音波トランスデューサの間に配置されている圧電性の充填材と、該充填材の対向する2つの面に配置されている少なくとも1組の電極とを具備する。 In order to solve the above problems, an ultrasonic transducer array according to the present invention is disposed between a plurality of ultrasonic transducers that generate ultrasonic waves by expanding and contracting based on an applied voltage, and the plurality of ultrasonic transducers. A piezoelectric filling material, and at least one set of electrodes disposed on two opposing surfaces of the filling material.
また、本発明に係る超音波送受信装置は、上記の超音波トランスデューサアレイと、該超音波トランスデューサアレイに含まれる複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動するための複数の駆動信号を生成する駆動手段と、複数の超音波トランスデューサにおける振動と逆位相になるように、少なくとも1組の電極を介して充填材に電圧を印加するための電圧印加手段と、該電圧印加手段から出力される電圧の位相を制御する制御手段と具備する。 Further, an ultrasonic transmission / reception apparatus according to the present invention includes the above-described ultrasonic transducer array, and a drive unit that generates a plurality of drive signals for driving a plurality of ultrasonic transducers included in the ultrasonic transducer array, Voltage application means for applying a voltage to the filler via at least one pair of electrodes and the phase of the voltage output from the voltage application means are controlled so as to have an opposite phase to the vibration in the plurality of ultrasonic transducers And control means.
本発明によれば、複数の超音波トランスデューサ間に圧電材料を含む充填材を配置し、充填材を伝播する横振動(機械的エネルギー)を電気エネルギーに変換して電極を介して放電する。従って、充填材を伝播する不要な振動を積極的に排除することができるので、複数の超音波トランスデューサ間におけるクロストークを低減して、超音波の送信及び受信におけるSN比を向上させることが可能になる。 According to the present invention, a filler containing a piezoelectric material is disposed between a plurality of ultrasonic transducers, and lateral vibration (mechanical energy) propagating through the filler is converted into electric energy and discharged through an electrode. Therefore, unnecessary vibration propagating through the filler can be positively eliminated, so that crosstalk between a plurality of ultrasonic transducers can be reduced, and the SN ratio in transmitting and receiving ultrasonic waves can be improved. become.
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを示す斜視図である。この超音波トランスデューサアレイは、2次元に配置された複数の超音波トランスデューサ(以下において、「素子」ともいう)10と、複数の素子10の間及び周囲に配置された充填材11と、充填材11の上面及び下面に配置された電極12及び13とを含んでいる。また、この超音波トランスデューサアレイは、超音波送受信装置本体に含まれる素子駆動部14と、制御部15とに接続されている。素子駆動部14は、複数の素子10にそれぞれ対応する複数の駆動回路を含んでおり、複数の素子10を駆動するための複数の駆動信号を発生する。また、制御部15は、素子駆動部14の動作を制御する。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
FIG. 1 is a perspective view showing an ultrasonic transducer array according to the first embodiment of the present invention. The ultrasonic transducer array includes a plurality of ultrasonic transducers (hereinafter also referred to as “elements”) 10 arranged in two dimensions, a
複数の素子10の各々は、例えば、底面の幅が0.2〜1.0mm程度、高さが1.0mm程度の微小な柱状の構造体である。各素子10は、圧電材料と、少なくともその両端に形成された電極とを含んでいる。これらの電極を介して圧電材料に電圧を印加すると、圧電効果により圧電材料が伸縮するので、素子から超音波が発生する。また、各素子10は、被検体から伝播する超音波を受信することにより、伸縮して電気信号(検出信号)を発生する。圧電材料としては、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛:Pb(lead) zirconate titanate)に代表される圧電セラミックや、PVDF(ポリフッ化ビニリデン:polyvinyliden difluoride)に代表される高分子圧電材料等が用いられる。
Each of the plurality of
充填材11は、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)や、P(VDF/TrFE)(ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体)や、P(VDF/TeFE)(ポリフッ化ビニリデン四フッ化エチレン共重合体)や、P(VDCN/VAc)(シアン化ビニリデン酢酸ビニル共重合体)や、PU(ポリ尿素)等の圧電高分子を含む圧電性充填材料によって形成されている。充填材11としては、機械−圧電変換定数(圧電出力定数)g(V・m/N)の値が大きい材料、即ち、変換効率の高い材料を用いることが望ましい。ここで、圧電出力定数gは、(生じた電界の強さ)/(与えられた応力)によって表される。
The
電極12及び13は、充填材11の上面及び下面において、複数の素子10の2つの端面の周囲を囲むように格子状にそれぞれ配置されている。図1に示すように、電極12及び13は、基準電位に電気的に接続されている。本実施形態及び以下の実施形態において、基準電位は接地電位であるとする。また、以下において、充填材11に配置されている電極のことを、アース用電極とも呼ぶ。
The
図1に示す超音波トランスデューサアレイから超音波を発信する場合には、素子駆動部14が、制御部15の制御の下で駆動信号を発生することにより、複数の素子10を駆動する。その際に、複数の素子10の各々を、所定の遅延時間を設けてそれぞれ駆動することにより、所望の方向に送信される超音波ビームを形成することができる。一方、各素子10が伸縮すると、素子から発生した振動(横振動)が、素子の周囲に配置されている充填材11に伝播する。その結果、充填材11の圧電効果により、充填材11の振動(機械的エネルギー)が電気エネルギーに変換される。これにより、振動が収束すると共に、電極12と電極13との間に電圧が発生し、これらの電極間に電流が流れる。その結果、ある素子から発生した振動は、周囲に配置された電極12及び13の領域において除去されるので、隣接する素子まで伝播することがなくなる。従って、素子間のクロストークを低減することが可能になる。
When transmitting an ultrasonic wave from the ultrasonic transducer array shown in FIG. 1, the
本実施形態においては、電極12及び13を接地電位に接続することにより放電させたが、電極12と電極13との間を短絡させても良い。このような構成によっても、充填材11における振動を収束させることができる。
In the present embodiment, the
次に、本発明の第2の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイについて、図2を参照しながら説明する。本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイは、複数の素子10と、圧電性充填材料によって形成されている充填材11と、電極12及び13とを含んでいる。また、この超音波トランスデューサアレイは、超音波送受信装置本体に含まれる素子駆動部14と、充填材駆動部20と、制御部21とに接続されている。
Next, an ultrasonic transducer array according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The ultrasonic transducer array according to the present embodiment includes a plurality of
充填材駆動部20は、電極12及び13に接続されており、充填材に印加するための電圧を発生する。制御部21は、素子駆動部14の動作と、充填材駆動部20の動作とを制御する。
The
図2に示す超音波トランスデューサアレイから超音波を発信する場合に、素子駆動部14は、制御部21の制御の下で、所定の波形を有する駆動信号を発生する。これにより、各素子10が伸縮して超音波が発生すると共に、素子の周囲に配置されている充填材11に横振動が伝播する。その際に、充填材駆動部20は、制御部21の制御の下で、駆動信号の波形と逆位相を有する電圧を所定のタイミングで発生する。これにより、電極12及び13を介して、駆動信号とは逆位相を有する電圧が充填材11に印加される。その結果、充填材11において、印加された電圧に基づいて振動が発生し、その振動と素子から伝播した横振動とが互いにキャンセルする。これにより、ある素子から発生した横振動は、その周囲に配置された電極12及び13の領域において除去されるので、複数の素子間におけるクロストークを低減することができる。
When transmitting an ultrasonic wave from the ultrasonic transducer array shown in FIG. 2, the
以上説明した本発明の第1及び第2の実施形態において、充填材駆動部は、超音波送受信装置の本体に含まれているが、充填材駆動部を、超音波トランスデューサアレイと共に、超音波用探触子内に設けても良い。 In the first and second embodiments of the present invention described above, the filler driving unit is included in the main body of the ultrasonic transmission / reception apparatus. However, the filler driving unit together with the ultrasonic transducer array is used for ultrasonic waves. It may be provided in the probe.
次に、本発明の第3の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイについて説明する。図3の(a)は、本発明の第3の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを示す平面図であり、図3の(b)は、その断面図である。この超音波トランスデューサアレイは、2次元マトリクス状に配置された複数の素子10と、圧電性充填材料によって形成されている充填材11と、充填材11の上面及び下面において、複数の素子10の2つの端面の周囲をそれぞれ囲むように配置されている複数組の電極31及び32とを含んでいる。充填材11の上面及び下面において、対向する複数組の電極31及び32の各々は、基準電位に接続されている。
Next, an ultrasonic transducer array according to the third embodiment of the present invention will be described. FIG. 3A is a plan view showing an ultrasonic transducer array according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a cross-sectional view thereof. The ultrasonic transducer array includes a plurality of
このように、本実施形態においては、複数の素子にそれぞれ対応する複数組のアース用電極を設けることにより、各素子から発生した横振動を個別に除去している。このような構成は、特に、超音波を発信する際に、特定の素子のみを駆動したり、複数の素子の間に時間差を設けて駆動する場合に有効である。ここで、充填材の上面又は下面においてアース用電極が連続している場合には、ある素子(第1の素子)が振動すると、その周囲に配置された充填材の圧電効果により、アース用電極全体が等電位になってしまう。そのため、第1の素子と離れた位置にある第2の素子の周囲に配置された充填材が、連続するアース用電極によって電圧が印加される結果となり、その領域の充填材が振動して第2の素子に影響を及ぼすおそれがある。しかしながら、図3に示すように、アース用電極が素子ごとに配置されている場合には、ある素子から伝播した横振動に基づいて発生した電圧は、近隣に対応して配置されているアース用電極によって個別に放電されるので、遠方に配置された素子に影響を及ぼすことがなくなる。 As described above, in this embodiment, by providing a plurality of sets of grounding electrodes respectively corresponding to a plurality of elements, lateral vibration generated from each element is individually removed. Such a configuration is particularly effective in driving only a specific element or driving with a time difference between a plurality of elements when transmitting ultrasonic waves. Here, when the ground electrode is continuous on the upper surface or the lower surface of the filler, when a certain element (first element) vibrates, the ground electrode is caused by the piezoelectric effect of the filler disposed around the element. The whole becomes equipotential. As a result, the filler disposed around the second element, which is located away from the first element, results in the voltage being applied by the continuous grounding electrode, and the filler in that region vibrates and the second element is vibrated. 2 may be affected. However, as shown in FIG. 3, when the earthing electrode is arranged for each element, the voltage generated based on the lateral vibration propagated from a certain element is the earthing voltage arranged corresponding to the neighborhood. Since it is discharged individually by the electrodes, it does not affect the elements disposed far away.
本実施形態においては、複数の素子にそれぞれ対応して設けられた複数組の電極を基準電位に接続しているが、複数組の電極の各々において、電極を互いに短絡させても良い。或いは、本発明の第2の実施形態において説明したように、素子の駆動信号の波形と逆位相を有する電圧を所定のタイミングで発生する駆動回路を、複数組の電極の各々に接続しても良い。 In this embodiment, a plurality of sets of electrodes provided corresponding to a plurality of elements are connected to a reference potential, but the electrodes may be short-circuited to each other in each of the plurality of sets of electrodes. Alternatively, as described in the second embodiment of the present invention, a drive circuit that generates a voltage having an opposite phase to the waveform of the drive signal of the element at a predetermined timing may be connected to each of the plurality of sets of electrodes. good.
次に、本発明の第4の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイについて説明する。図4は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの一部を示す図である。
本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイは、本発明の第3の実施形態に係る超音波トランスデューサと同様に、複数の素子10と、圧電性充填材料によって形成されている充填材11とを含んでいる。また、図4に示すように、充填材11の上面及び下面には、複数の素子10の2つの端面の周囲をそれぞれ囲むように、複数組の電極41及び42が配置されている。複数組の電極41及び42の各々には、素子10と電極41及び42との間における電気的な接続を切り替えるスイッチ回路43及び44がそれぞれ接続されている。スイッチ回路43及び44は、素子10を駆動するために供給される駆動信号に同期して動作するように、制御部40によって制御されている。なお、通常の状態(素子を駆動する前)においては、電極41及び42の各々と素子10との接続はオフになっている。
Next, an ultrasonic transducer array according to the fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a diagram showing a part of the ultrasonic transducer array according to the present embodiment.
Similar to the ultrasonic transducer according to the third embodiment of the present invention, the ultrasonic transducer array according to the present embodiment includes a plurality of
超音波トランスデューサアレイから超音波を送信する場合に、素子10に駆動信号を供給すると、素子10が伸縮して超音波を発生すると共に、充填材11に横振動が伝播する。これにより、充填材11の圧電効果によって電極41と電極42との間に電圧が発生する。一方、スイッチ回路43及び44は、駆動信号の発生から所定のタイミングの後でオンになる。その結果、電極41及び42の各々と素子10とが接続され、電極41と電極42との間に発生した電圧が素子10にフィードバックされる。これにより、横振動が収束すると共に、素子10におけるエネルギー損失が補填される。
When transmitting an ultrasonic wave from the ultrasonic transducer array and supplying a drive signal to the
次に、以上説明した第1〜第4の実施形態におけるアース用電極の望ましい配置について、図5を参照しながら説明する。図5の(a)に示すように、素子10の周囲に充填材11が配置されている場合に、素子10から、概ね、次式を満たす距離dだけ離れた位置にアース用電極50を配置することが望ましい。
d=n×(λ/4) …(1)
ここで、λは超音波の波長であり、音速v及び振動周波数fを用いて、λ=v/fで与えられる。また、n=1、2、3、…である。例えば、生体内部における音速vを約1580m/s、振動周波数fを15MHzとすると、生体内部における超音波の波長λは約105μmとなる。従って、この場合には、素子の端部からd=λ/4=26.3μmの位置、又は、その整数倍の位置にアース用電極50を配置すれば良い。
Next, a desirable arrangement of the ground electrodes in the first to fourth embodiments described above will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 5A, when the
d = n × (λ / 4) (1)
Here, λ is the wavelength of the ultrasonic wave, and is given by λ = v / f using the sound velocity v and the vibration frequency f. In addition, n = 1, 2, 3,. For example, if the sound velocity v inside the living body is about 1580 m / s and the vibration frequency f is 15 MHz, the wavelength λ of the ultrasonic wave inside the living body is about 105 μm. Therefore, in this case, the
図5の(b)に示すように、素子から発生した横振動の振幅は、素子10の端部からλ/4、又は、その整数倍となる位置において最大になる。そこで、素子10から距離dだけ離れた位置にアース用電極を配置することにより、効率的に横振動を除去することができる。なお、式(1)において、生体内部における超音波の波長λの替わりに、充填材における振動の波長の実効値λeを用いることがさらに好ましい。
As shown in FIG. 5B, the amplitude of the lateral vibration generated from the element is maximized at a position that is λ / 4 from the end of the
以上説明した第1〜第4の実施形態において、充填材の上面又は下面において、アース用電極が超音波トランスデューサと短絡されてしまう可能性がある。その場合には、アース用電極の表面に絶縁層を形成しておくことが望ましい。そのためには、例えば、アース用電極の表面にガラス等の絶縁材料をスパッタリングによって形成したり、ニッケル−アルミニウム、アルミニウム、チタン等の電極材料を酸化させることにより、絶縁膜を形成すれば良い。 In the first to fourth embodiments described above, the grounding electrode may be short-circuited with the ultrasonic transducer on the upper surface or the lower surface of the filler. In that case, it is desirable to form an insulating layer on the surface of the ground electrode. For this purpose, for example, an insulating material such as glass may be formed on the surface of the ground electrode by sputtering, or an insulating material may be formed by oxidizing an electrode material such as nickel-aluminum, aluminum, or titanium.
10、101 超音波トランスデューサ(素子)
11 充填材(圧電性充填材料)
12、13、31、32、41、42、50 電極(アース用電極)
14 素子駆動部
15、21、40 制御部
20 充填材駆動部
43、44 スイッチ回路
102 充填材
10, 101 Ultrasonic transducer (element)
11 Filling material (piezoelectric filling material)
12, 13, 31, 32, 41, 42, 50 Electrode (Earth electrode)
14
Claims (7)
前記複数の超音波トランスデューサの間に配置されている圧電性の充填材と、
前記充填材の対向する2つの面に配置されている少なくとも1組の電極と、
を具備する超音波トランスデューサアレイ。 A plurality of ultrasonic transducers that generate ultrasonic waves by expanding and contracting based on an applied voltage;
A piezoelectric filler disposed between the plurality of ultrasonic transducers;
At least one set of electrodes disposed on two opposing surfaces of the filler;
An ultrasonic transducer array comprising:
前記超音波トランスデューサアレイに含まれる複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動するための複数の駆動信号を生成する駆動手段と、
前記複数の超音波トランスデューサにおける振動と逆位相になるように、前記少なくとも1組の電極を介して前記充填材に電圧を印加するための電圧印加手段と、
前記電圧印加手段から出力される電圧の位相を制御する制御手段と、
具備する超音波送受信装置。 The ultrasonic transducer array according to any one of claims 1 to 5,
Drive means for generating a plurality of drive signals for respectively driving a plurality of ultrasonic transducers included in the ultrasonic transducer array;
Voltage applying means for applying a voltage to the filler via the at least one set of electrodes so as to be in opposite phase to the vibration in the plurality of ultrasonic transducers;
Control means for controlling the phase of the voltage output from the voltage applying means;
An ultrasonic transmission / reception apparatus.
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